第3章 高效間壁式熱交換器

1、CUCDReview and Forecast on MSW Incineration in China 熱交換器原理與設(shè)計(jì)熱交換器原理與設(shè)計(jì)第三章：高效間壁式熱交換器第三章：高效間壁式熱交換器南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 高效間壁式熱交換器高效間壁式熱交換器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、應(yīng)用范圍廣、清洗方便、處理能力大。缺點(diǎn)：緊湊性不足。管殼式熱交換器管殼式熱交換器 熱交換器單位體積所具有的傳熱面積間壁式熱交換器間壁式熱交換器 q 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器q 板式熱交換器板式熱交換器q 板翅式熱交換器板翅式熱交換器q 翅片管熱交換器翅片管熱交換器q 熱管熱交換器熱管熱交換器q 蒸發(fā)冷

2、卻器蒸發(fā)冷卻器q 微型熱交換器微型熱交換器高效間壁式熱交換器高效間壁式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 基本構(gòu)造與工作原理基本構(gòu)造與工作原理螺旋板式換熱器由兩張間距一定的平行薄金屬板卷制而成，在其內(nèi)部形成兩個(gè)同心的螺旋形通道。換熱器中央設(shè)有隔板，將螺旋形通道隔開，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距。在螺旋板兩側(cè)設(shè)有蓋板。冷熱流體分別通過兩條通道，在器內(nèi)逆流流動(dòng)，通過薄板進(jìn)行換熱。螺旋板式換熱器由螺旋板、隔板、頭蓋、連接管等構(gòu)成。 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器

3、螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)離心力的作用定距柱的干擾較低雷諾數(shù)下達(dá)到湍流流動(dòng)阻力較小允許大流速傳熱系數(shù)高1.52倍離心力的作用懸浮顆粒不易沉積流體速度較大流速增加污垢沉積自潔不易結(jié)垢堵塞3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 能利用溫度較低的熱源：由于流體流動(dòng)的流道較長(zhǎng)和兩流體可進(jìn)行完全逆流，故可在較小的溫差下操作，能充分利用溫度較低的熱源。結(jié)構(gòu)緊湊：?jiǎn)挝?/p>

4、體積的傳熱面積為列管式的3倍，可節(jié)約金屬材料。 螺旋板式換熱器的不足3.1 螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高：目前操作壓力一般不超過0.51MPa，溫度不超過250。不易檢修：因整個(gè)換熱器被焊成一體（型），一旦損壞，修理很困難。 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 構(gòu)造和工作原理在固定壓緊板上交替排列金屬薄板和墊圈，然后按放活動(dòng)壓緊板，最后旋緊壓緊螺栓，即構(gòu)成一臺(tái)板式熱交換器。兩薄板與墊圈之間空間為冷熱流體的流道。主要有：平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、多孔翅片、條片翅片、釘狀翅片。傳熱板片 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱

5、交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 3.2 板式熱交換器板式熱交換器 板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)波紋板片交叉相疊形成復(fù)雜流動(dòng)較低雷諾數(shù)下達(dá)到湍流較小的板間距傳熱系數(shù)高3.2 板式熱交換器板式熱交換器 結(jié)構(gòu)緊湊：一般板間距為46mm，單位體積設(shè)備可提供的傳熱面為2501000m2/m3（列管式換熱器只有40150 m2/m3）。平板式換熱器的金屬消耗量可減少一半以上。具有可拆結(jié)構(gòu)：可根據(jù)需要，用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的方法增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修、清洗也都比較方便。 板式換熱器的缺點(diǎn)3.2

6、 板式熱交換器板式熱交換器 允許的操作壓強(qiáng)和溫度比較低：通常操作壓強(qiáng)低于1.5MPa，最高不超過2.0MPa，壓強(qiáng)過高容易泄露；操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250。另外由于兩板的間距僅幾毫米，流通面積較小，而流速又不大，因而處理量較小。 板式換熱器的用途3.2 板式熱交換器板式熱交換器 螺旋板式換熱器和平板式換熱器都具有結(jié)構(gòu)緊湊、材料消耗少，傳熱系數(shù)大的特點(diǎn)，屬于新型的高效緊湊式換熱器。這類換熱器一般不耐高溫高壓，但對(duì)于壓強(qiáng)較低（ 1.5MPa），溫度不高（ 150 ）或腐蝕性強(qiáng)必須用貴重材料的場(chǎng)合，則顯示出更大的優(yōu)越性，目前已廣泛應(yīng)用于食品、輕工和化學(xué)等工業(yè)。 板式換熱器的拓展

7、3.2 板式熱交換器板式熱交換器 板式熱交換器（可拆式）耐溫耐壓性能差：將薄板之間直接焊接，取代密封墊片連接形式（全焊式）耐溫耐壓能力增強(qiáng)，但無(wú)法拆卸密封墊片與焊接組合形式（半焊式）應(yīng)用于兩種溫度和壓力相差較大的流體換熱場(chǎng)合 板翅式熱交換器是一種高效、緊湊、輕巧的換熱器，過去由于制造成本高，僅用于宇航、電子、原子能等少數(shù)部門?，F(xiàn)已逐漸用于石油化工及其它工業(yè)部門，取得良好效果。3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 板翅式熱交換器的背景 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 板翅式熱交換器結(jié)構(gòu)形式多樣，但其基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行薄金屬板之間，加入特殊形狀的金屬翅片，將兩側(cè)面封死，即成為一個(gè)

8、換熱基本元件。將各基本元件進(jìn)行適當(dāng)排列，并通過釬焊制成順流、逆流或錯(cuò)流的板翅式熱交換器的板束（芯體），然后再將帶由流體進(jìn)出口接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。板翅式熱交換器的結(jié)構(gòu) 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 板翅式熱交換器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊（單位體積設(shè)備的傳熱面一般達(dá)到2500 m2/m3，最高可達(dá)4300 m2/m3）；重量輕（鋁合金制造，在相同的傳熱面下，其重量約為列管式的十分之一）；傳熱系數(shù)較高（由于翅片促進(jìn)了流體的湍動(dòng)并破壞了熱邊界層的發(fā)展）；強(qiáng)度大（除增加傳熱面積外，翅片也提高芯體的強(qiáng)度）。板翅式熱交換器的特點(diǎn) 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 鋁合金不僅導(dǎo)熱系

9、數(shù)高，而且在零度以下操作時(shí)，其延性和抗拉強(qiáng)度都很高，適用于低溫和超低溫的場(chǎng)合，可在絕對(duì)零度至200范圍內(nèi)使用，是板翅式熱交換器的理想材料。同時(shí)因翅片對(duì)隔板有支撐作用，板翅式換熱器允許操作壓強(qiáng)也比較高，可達(dá)5MPa。這種換熱器的缺點(diǎn)是設(shè)備流道很小，易堵塞，且清洗和檢修困難，故所處理的物料應(yīng)較潔凈或預(yù)先凈制；另外由于隔板的翅片多由薄鋁板制成，故要求介質(zhì)對(duì)鋁不腐蝕。板翅式熱交換器的應(yīng)用 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 板翅式熱交換器中流體的流動(dòng)形式常采用順流、逆流或錯(cuò)流 3.3 板

10、翅式熱交換器板翅式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 翅片的型式翅片的型式很多，有平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片、波紋翅片、釘狀制片、百葉窗式翅片、片條翅片等。我國(guó)目前常用的翅片型式有光直型翅片、鋸齒型翅片和多孔型翅片三種。 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 翅片的型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 鋸齒型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 多孔型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 波紋型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 百葉窗式型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 封條的型式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱

11、交換器 導(dǎo)流片 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 導(dǎo)流片 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 導(dǎo)流片 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 流動(dòng)形式 3.3 板翅式熱交換器板翅式熱交換器 流動(dòng)形式 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管熱交換器是管式熱交換器的拓展，由基管和翅片組成，是一種帶翅（肋）的管式熱交換器。熱交換器中，當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，可以通過在傳熱系數(shù)較小的一側(cè)加翅片可以強(qiáng)化傳熱。 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管熱交換器的基管通常是圓管，也有扁平管和橢圓管。翅片可以各自加在每根單管上，也可以同時(shí)與數(shù)根管子相連接。 3.4 翅片管熱交換器翅片

12、管熱交換器 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管的類型與選擇 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 是否需要設(shè)置翅片何處設(shè)置翅片視管內(nèi)外傳熱系數(shù)設(shè)置在傳熱系數(shù)較小側(cè)管內(nèi)外傳熱系數(shù)接近，兩側(cè)均需設(shè)置翅片管的類型與選擇 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 圓形翅片矩形翅片傳熱系數(shù)不足使氣流流經(jīng)翅片時(shí)產(chǎn)生擾流，破壞邊界層翅片管的類型與選擇 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管的類型與選擇管片按制造方法分為整體翅片、焊接翅片、高頻焊翅片和機(jī)械連接翅片。 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管的類型與選擇 3.4 翅片管熱交換器翅片管熱交換器 翅片管的類型與選擇 3.4 翅片管熱

13、交換器翅片管熱交換器 翅片管的類型與選擇 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 1944年：通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的 Gaugler 首先提出了熱管的工作原理，但是他的想法當(dāng)時(shí)并沒有被廣泛地采納利用。1963年：美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Grouer重新獨(dú)立發(fā)明了這種傳熱元件，并進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將它正式命名為熱管（Heat Pipe）。1965年：Cotter首次提出了較完整的熱管理論。70年代以來：熱管技術(shù)飛速發(fā)展；我國(guó)也自70年代開始，展開了對(duì)熱管的研究和應(yīng)用?，F(xiàn)在：熱管在電子工業(yè)、余熱回收、新能源等方面得到了廣泛應(yīng)用。熱管熱交換器概述熱管熱交換器概述 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器

14、熱管的組成及工作原理熱管的組成及工作原理以以吸液芯熱管吸液芯熱管為例為例管殼毛細(xì)多孔材料（管芯）蒸氣通道液體工作原理：工作液體在熱端吸收熱量而沸騰氣化，產(chǎn)生的蒸氣流至冷端冷凝放出潛熱，冷凝液返回至熱端，再次吸熱沸騰氣化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷從熱端傳至冷端。 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 熱管工作的主要任務(wù)是從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變傳熱過程，把熱量輸送到冷卻段，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，完成這一轉(zhuǎn)移有六個(gè)同時(shí)發(fā)生又相互關(guān)聯(lián)的主要過程：（1）熱量從熱源通過熱管管殼和吸液芯（包括工作液體）傳遞到氣-液分界面（2）液體在蒸發(fā)段內(nèi)的氣-液分界面上蒸發(fā)（3）蒸氣腔內(nèi)的蒸氣從蒸發(fā)段流到冷卻段（4）蒸氣在

15、冷卻段內(nèi)的氣-液分界面上的凝結(jié)（5）熱量從氣-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源（6）在吸液芯內(nèi)由毛細(xì)作用使冷凝液從冷卻段回流到蒸發(fā)段 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 熱量由蒸發(fā)段輸入后，毛細(xì)材料中的工作液受熱蒸發(fā)，蒸氣順著蒸氣通道流向冷凝段；在冷凝段，蒸氣受到冷凝結(jié)成液體，放出熱量；凝結(jié)液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 熱管的分類熱管的分類按凝結(jié)液的回流作用力來劃分按凝結(jié)液的回流作用力來劃分q 吸液芯熱管吸液芯熱管q 兩相熱虹吸管兩相熱虹吸管q 旋轉(zhuǎn)熱管旋轉(zhuǎn)熱管q 重力輔助熱管重力輔助熱管典型熱管典型熱管 3

16、.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 p 熱管管殼熱管管殼作用作用將熱管的工作部分封閉起來，在熱管兩端部接受和放出熱量，中部絕熱，并承受一定的壓力。要求要求a 在整個(gè)工作壓力范圍內(nèi)不發(fā)生工質(zhì)泄露，壽命夠長(zhǎng)；b 管殼材料與工質(zhì)必須相容，避免有腐蝕和氣體產(chǎn)生的現(xiàn)象出現(xiàn)；c 管殼材料經(jīng)得住工藝除氣工程中的高溫；d 管殼結(jié)構(gòu)既能承受內(nèi)部最大的蒸汽壓力，又能兼顧降低管壁熱阻，管壁盡可能?。籩 管殼材料濕潤(rùn)性好，導(dǎo)熱系數(shù)高。材料材料不繡鋼，銅，鋁，鎳，玻璃，陶瓷 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 p 熱管管芯熱管管芯作用作用：產(chǎn)生毛細(xì)抽吸力，使液體由冷凝段回流到蒸發(fā)段要求要求：a 起到有效的毛細(xì)泵作用；b 與工

17、質(zhì)、管壁材料必須相容；c 具有較高滲透率且傳熱性能好；d 具有足夠的剛性，以保證吸液芯與管壁緊密接觸；e 便于加工，性能可靠，經(jīng)濟(jì)性好。分類分類：a 緊貼管壁的單層或多層網(wǎng)芯 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 b 燒結(jié)粉末管芯c 軸向槽道式管芯d 組合管芯一定數(shù)目的金屬粉末或金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面而成在管殼內(nèi)壁開軸向細(xì)槽，以提供毛細(xì)壓頭及液體回流通道+p 熱管管芯熱管管芯 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 p 熱管工質(zhì)熱管工質(zhì)作用作用：傳遞熱量要求要求：a 具有較高的汽化潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，及合適的飽和壓力和沸點(diǎn)；b 具有較低的粘度，良好的穩(wěn)定性；c 具有較大的表

18、面張力和潤(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力；d 對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管壁無(wú)溶解作用。種類種類：隨熱管內(nèi)部的工作溫度而定低溫工質(zhì)（100）中溫工質(zhì)（100500）高溫工質(zhì)（500） 3.5 熱管熱交換器熱管熱交換器 p 熱管工質(zhì)熱管工質(zhì)熱管工作時(shí)其內(nèi)的質(zhì)量流量、壓力及溫度分布如圖所示質(zhì)量流量：質(zhì)量流量：蒸發(fā)、冷凝段上，工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝速率均勻，質(zhì)量流量呈線性變化；在絕熱段，不發(fā)生熱交換，工質(zhì)不變。溫度：溫度：蒸發(fā)段的飽和溫度稍高于冷凝段飽和溫度，此溫差 90，為不浸潤(rùn)液體，液面，為不浸潤(rùn)液體，液面在表面張力的作用下下降。在表面張力的作用下下降。 90，為浸潤(rùn)液體，液面在，為浸潤(rùn)液體，液面在表面張力的作用下上升。表面張力的作用下上升。 3.6 蒸發(fā)冷